通过堆焊和塑性形变实现钢的表面强化外文翻译资料

 2022-09-20 10:35:49

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通过堆焊和塑性形变实现钢的表面强化

1.简介

在大多数情况下，钢制零部件是通过堆焊以获得高合金堆焊层，提高耐磨损性能和其它性能。加入某些合金元素如铬，镍，锰，硅，钨等可以改变钢的化学成分，这些元素可以形成沉淀硬化所需的硬碳化物或关节的金属间化合物。

具有良好的机械性能的析出硬化钢经过时效处理后具有高强度和合适的塑性。由0.01%的碳、17.86%的镍、9.41%的钴、4.84钼、0.76%的钛、0.14%的铝组成的钢在900℃的温度下加热后在空气中冷却，接着在480℃放置15个小时进行时效处理，其硬度有320HV上升到640HV。进一步的，我们可以发现当时效处理时间延长到25小时后钢也不会软化。18Ni-Co-Mo-Ti钢在高于510℃的温度下进行时效处理，其硬度会降低，这是因为产生了大量的奥氏体。

在20世纪60年代初，沉淀硬化钢已经得到了广泛的应用。在实践中，工程师和技术人员经常要处理经过不同的加工和热处理工艺后的残余应力。

高合金钢的沉淀硬化是生产零部件过程中相对昂贵的工艺。将廉价结构钢进行堆焊处理，覆盖沉淀硬化钢层来生产零部件是十分经济高效的。各种粉末导线和粉末混合物与添加剂材料可用于获得高合金堆焊层，这个过程要采用常见的焊接技术，如金属惰性气体（MIG），桐油斯登的惰性气体（TIG），手工电弧焊高合金堆焊层（MMA），埋弧焊（SAW）等。

表面硬化是提高零件、工具等耐磨损性的最流行和经济有效的方法，在工作中碳钢经氩气 CO2保护电弧焊工艺沉积粉末金属丝来估算焊接过程中对堆焊层的结构和性能的影响。获得的堆焊层各元素的百分含量为0.40–0.48 C; 1.1–1.3 Mn; 0.49–0.60 Si; 5.3–5.5 Cr; 2.3–2.6 Mo; 0.34–0.40 V; 1.8–1.9 W。由最高达20％的CO 2气体组成的混合物对焊接熔敷化学的影响很小。在550℃进行时效处理时焊接具有高热量输入，这会造成大的碳化物析出，残余奥氏体含量的减少和低硬度。低热量输入和保护气体中CO2含量较低的焊接试样有最高的合金含量，残余奥氏体的比例最大，硬度也最高。

塑性形变已经成为加强钢表面的有效方法。测试合金（1.2％C，12.86％M和0.87％的Si）中在1050℃的温度中加热2小时，然后进行水淬。测试合金热处理后表现出单一奥氏体相，晶粒尺寸约为100-200微米。对测试样品用铸钢丸（公称直径0.2mm）进行喷丸处理。喷丸处理之后获得纳米晶体表面层。表面层晶粒尺寸为11.1-17.4纳米，硬度从256 HV上升到774 HV。经过30分钟喷丸处理过的表面的耐磨损性增加了72％。

材料经过特殊的热处理，随后以足够快的速度冷却可以形成奥氏体结构，其在室温下是稳定的。一定数量的合金元素可以使稳定的残余奥氏体变成亚稳态。高达2％的C和13％的Cr组成的高合金钢X210Cr12（AISI D3）和X155CrvMo12-1（AISI D2）热处理后，可获得残余奥氏体含量高的结构。使工作件（60mm直径）转动，然后使用直径6毫米的陶瓷球深轧制。在转弯过程中，机加工表面的硬度增加至700 HV，硬化层深度为0.2毫米。工件深轧制后硬度增加至810HV。

通过冷加工提高钢的强度可能是因为产生了应变，相变，晶粒细化和沉淀强化。在400℃保温30分钟的时效钢（重量百分含量：0.041 C;1.473 Mn;0.32 Mo;0.02 Ti;0.023 Al）经过20%冷加工后，屈服强度从470MPa增加至614 MPa。

PH13-8Mo类型的马氏体时效不锈钢常被用于制造航空工业部件和塑料模具，也被用于体育产业中，因为它们有好的耐腐蚀性，并将强度和延展性完美地融合。含钛(重量百分含量: 13 Cr; 8.3 Ni; 1.1 Si; 1 Ti; 1.2 Al; 0.6 Mo; 0.1 Mn; 0.05 C;)和钛自由(重量百分含量: 12.8 Cr; 8.6 Ni; 0.6 Si; 3.4 Al; 0.8 Mo; 0.4 Mn; 0.1 C;)钢型PH13-8Mo在525℃保温100小时进行时效处理，然后我们测试了该处理对其力学性能的影响。

在850℃或1000℃进行时效处理，随后在空气中冷却。钛自由合金在850℃加热后含有约2%的残余奥氏体，在525℃时效处理时，残余奥氏体量增加到两倍。含钛合金在1000℃下加热，在空气中冷却后不含残余奥氏体。在525℃进行10小时的时效处理导致了残余奥氏体的产生。两种材料的较高的硬度和最大强度出现在525℃进行3小时的时效处理时。时效时间越长强度越低。经过3小时的时效处理后，钛自由合金的硬度由34 HRC上升到51 HRC，拉伸强度由1115MPa增至1751MPa。通过杂质或合金元素的偏析还有沿晶粒边界的第二相的优先沉淀可以发现含钛合金在时效处理早期阶段的脆化。

结构钢St 44-3（DIN17100）（0.15％C）常用作堆焊的母体材料。堆焊需要四种不同合金化的Ni-Co-Mo系合金，这类合金与Ni–Co–Mo类型的商业马氏体时效钢有关。堆焊层用镍，钴，钼，钛，和铝合金化。堆焊样本的析出退火的有关温度/时间条件是为了获得最高的硬度。重量百分含量为10.5–13 Ni; 9.5–13 Co; 8.5–11 Mo; 0.7–1.5 Ti; 0.04–0.16 Al; 1.4–1.6 Si的堆焊层在450–460°C经过7-35小时的时效处理后可以获得最高的硬度。

这项工作的目的是通过结构钢的堆焊以获得合金堆焊层，检验热处理和塑性形变对堆焊层性质和结构的影响。

2.材料和实验方法

焊接技术多种多样，以便获得具有不同的组成和结构的堆焊层，从而可以制造新的零件和工具。而其中堆焊是一种简单和低成本的方法，可应用于正在生产的新的零件，以达到期望的耐磨性和尺寸。对廉价结构钢进行堆焊，使之获得合金钢层是十分经济有效的。

结构钢Ст3 (GOST 380–88) (wt., %: 0.14 – 0.22 C; 0.12 – 0.3 Si; 0.40 – 0.65 Mn)常用来做堆焊处理。结构钢的表面包覆粉末层，通过电弧使其熔化，持续提供直径1.2毫米的低碳钢丝Cв 08 (lt; 0.1%C) (GOST 2246)，使用助焊剂OCЦ 45 (GOST 9087–81)（主要成分为SiO2和MnO）。样本用车床和半自动机INTEGRA350 Professional与焊接刻录机MIG / MAG EN50078进行堆焊。焊接参数为：电流I =180-200 A;电压U ==22-26V;焊接行进速度Vwelding = 14.4 m/h;;送丝速度Vwire = 25.2 m/h。

堆焊过程中使用的粉末可以通过标准材料和可利用废料制得。在实验中我们对可应用于热喷涂的硬金属板的研磨和粉末的制备方法进行了研究，同时也对轴承钢研磨废料用于电焊进行了研究。

P6M5（GOST19265 - 73）钢片具有脆性，从而很容易进行研磨加工。废料加热到350℃从而移动润滑冷却液。以这样的方式可以获得废料。堆焊过程期间P6M5钢屑被熔化，焊接处富含钨，钼和其他元素。

不锈钢(18% Cr, 20% Ni)和钛研磨碎片有很强延展性，因此很难将它们研磨成粉末，这就是为什么要在没有保护气体的电炉中热处理。不锈钢片在1100℃加热5小时，钛碎片在950℃下加热2小时，两者分别被氧化，这样有利于研磨过程。

X射线衍射表明，该热处理后的不锈钢片含有Fe-Ni和Cr的氧化物，还有钛碎片的主要成分金红石（二氧化钛）。冶金反应过程中电弧燃烧区域的堆焊层产生了镍，铬，钛的富集。

经过BK-8板粉碎后得到的粉末由92％碳化钨和8％的钴组成。砂轮研磨后得到的WC粉末由碳化硅和少量的陶瓷粘合剂组成，因此获得的堆焊层具有更多的硅和碳。硅主要充当脱氧剂，而且有一定数量的硅会进入到堆焊层。

钢的埋弧焊（SAW）的助焊剂具有典型的化学组合物，其中主要成分为二氧化硅。玻璃粉末也经常代替传统助焊剂用于堆焊过程中。玻璃成分二氧化硅使焊接金属脱氧还原，并通过硅使之合金化。

组成为Cr, Fe-70% Mn, Ni, Al2O3, Cr-Ni的冶金工业粉末也经常被添加进堆焊所用的混合物中，粉末各成分的重量百分含量为: 13 Cr; 73.4 Ni; 3 B; 4 Fe-Cr-Ni; 4 Si; 2 Cu; 0.6 C。

微观结构通过LMA10显微镜和卡尔蔡司正置式显微镜A1来观察。观察相的时候要使用100-350倍的放大倍率。

堆焊堆焊层的相组成由DRON-6衍射仪得到的X射线衍射图样进行分析，各检测参数设置为：X射线管电压Ua = = 35 kV,电流Ia = 20 mA。

堆焊堆焊层的HRC硬度值用洛氏硬度仪TK–2来测试。加载为1470 N，金刚石压头的形状为角度为120度的圆锥形。

显微硬度用ПМТ–3型显微硬度测试仪进行测试，其金刚石压头为136度的棱锥，加载分别为0.49 N, 0.98 N, 1.96 N。

3.结果和讨论

由结构钢Ст3构成的堆焊层表面涂上4毫米厚的混合了10%液体玻璃的粉末（表1）。然后将堆焊层在250℃下加热3小时。蒸发的水使粉末混合物粘附到金属基底。

所有组分被连续供给的低碳钢丝产生的电弧融化。所获得的堆焊层的硬度很低（不超过28HRC，图1）。将堆焊层在500-750℃加热1小时后可以发现，最大的硬化值出现在650℃时，硬度增加到27-35HRC。热处理的温度和持续时间会影响堆焊层的硬度（图2）。大量的奥氏体稳定化元素（Cr, Mn, Ni）和残余奥氏体元素的存在会使堆焊层的硬度很低。用3％硝酸乙醇溶液腐蚀堆焊堆焊层后可以看到由残留奥氏体组成的树突结构（图3，a）。

表1.粉末混合物的组成

样品编号

粉末混合物组成，%

P6M5

SiC

Fe-70% Mn

Ni

氧化钛碎片（TiO2）

Cr

Cr-Ti

Al2O3

1

30

20

10

10

20

10

2

20

20

10

10

20

20

图1.加热温度对堆焊层硬度的影响

图2.在600℃时加热持续时间对堆焊层硬度的影响

a b c

图3.用粉末混合物（表1）在钢上堆焊被电弧熔化后得到的堆焊层的微观结构：a-未热处理，b-600℃，3小时，c-600℃，6小时

X射线衍射图样（图4，a）显示出了大量残余奥氏体的存在，尤其Fegamma;峰最为强烈（衍射角度20-50°）。在600℃下加热3小时的堆焊层的残余奥氏体减少了(图4，b)，Fegamma;峰减弱（衍射角度20-45°）。当堆焊层在600℃下加热6小时后再进行X射线衍射，衍射图样中已经看不到Fegamma;峰了。

在600℃下加热3小时后堆焊层获得了更高的硬度（54HRC）。如果热处理持续时间更长一些的话，堆焊层的硬度会降低。堆焊层在650℃加热1小时也可以获得较高的硬度（52HRC）。当加热时间一直增加直到3小时后硬度降低了7HRC。硬度的变化是由于残余奥氏体转变为马氏体和时效硬化产生的。类似的过程可以在时效马氏体钢中观察到。

马氏体时效钢Cr含量超过12％，并表现出高强度和延展性的优良组合。这些马氏体时效钢的一个显着特点是高强度和韧性良好结合，这是由于富Ni马氏体基体中形成了均匀分散的金属间相。马氏体时效钢中对形成金属间相影响最大的元素是Ni, Al和Ti。在进行了520℃下加热5小时的时效处理后，钢(重量百分含量: 0.12 C, 12-13 Cr, 8-9 Ni, 0.5-0.8 Mo, 1.0-3.4 Al, 0.6 Ti)的硬度从28-34 HRC增加到49-51 HRC。

钢（C~0.4％）的优异的机械性能基本上是由于添加了少量Mn, Mo, Ti, Al, Nb等合金元素，并经过了形变和时效等热处理。合金元素、形变率、时效的温度计处理时间都力学性能有影响。钢可通过施加形变，相变，晶粒细化和沉淀硬化等方式来增强。

2号堆焊层（表1）的表面用圆形工具锤击使其发生形变，经过形变处理后硬度由27HRC增加到52HRC。在形变期间，表面强度增加主要是由于其中的残余奥氏体变为了马氏体，通过对形变表面（不腐蚀）和腐蚀表面（腐蚀深度0.3mm）扫描得到的X射线衍射图样(图4,d)可以观察到。在不腐蚀的表面出现了比腐蚀过的形变表面更多的马氏体(Fealpha;)。

在某些情况下，钢通过堆焊形成中间层，使金属基体和堆焊层之间性质的变化减少。

图4.用粉末混合物(20% P6M5, 20% S

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